农田灌溉系统关键装置分布及性能检测

本文是一篇研究农业学毕业论文，笔者通过人工神经网络算法（ANN）估计土壤水分，并获得 6m×6m区域的土壤水分分布图；使用遗传算法（GA）对该区域中的湿度传感器的位置进行优化重置，确定了五个传感器埋设的最佳位置，实验结果表明在保持土壤湿度在所需范围内的情况下，每天耗水量减少 32%；

1 前言

1.1 研究的目的和意义
水孕育了生命，是生命的发源地，也是人类可以发展到今天的必要条件，如果地球上没有水，那么也就谈不上地球生物的生息繁衍。但是随着近些年全球经济快速发展，造成水资源的大量消耗，更可怕的是目前这一趋势还在加强。如果这种趋势得不到有效控制，未来将成为制约人类发展的难题。科学家很早以前就曾预言，如果人类不树立节水意识、继续浪费水资源，那么地球上最后一滴水将会是人类的眼泪。树立人们的节水意识、利用现代先进的科学技术节约用水是必由之路。
随着经济全球化脚步加快，各国对水资源的需求越来越大。上世纪早期世界年均用水量仅为六百立方米，但是到了上世纪末年耗水量增加到了五千五百立方米以上，用水量翻了好几番。进入二十一世纪，用水量更是猛增，其增速是人口增速的三倍。由此造成世界上二十六个国家严重缺水。由于缺水造成的草场退化、渔业产量衰减、耕地退化等问题越来越严重，已经严重威胁人类的生存和发展。
我国现存水资源总储量约为 28124 亿立方米，属于世界前列，但对于拥有超过十三亿人的中国，每人分得的水资源不足 2200 立方米，属于贫水国。
近年来随着水资源的过度消耗和各国对农业的重视，农业灌溉技术发展十分迅速，例如：喷灌、滴灌等技术相继被应用到农业领域。灌溉系统的智能化水平大幅提高，特别是国外一些发达国家，其农业灌溉技术发展较早，技术相对较成熟，例如美国、以色列、德国、荷兰等国家 60%的农田灌溉区域采用了喷灌、滴灌等技术，而且其农业灌溉率超过了70%。但从全世界范围来看，总的可用来耕种的面积大约为 15 亿公顷，其中有现代化喷灌设备的耕地不到总耕地面积的 30%，但是却产出全世界将近 60%的粮食，而且未来新增的粮食产量中将有超过 80%产自具有现代化灌溉设备的耕地。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
精准农业一词最早是由美国人在 20 世纪 80 年代提出的。其不仅是农业技术发展的必然产物，也是人类发展到今天高度文明的标志。美国早在 1990 年就召开了历史上第一次精准农业发展研讨会，精准农业开始被人们所认识并逐渐成为农业领域所研究的方向。而作为最早提出精准农业的美国经过多年的研究与探索，在技术和应用方面都比较先进。据统计，其农场总数已超过百万，其中超过 60%皆采用了精准农业技术。1995 年，美国华盛顿州首先使用了 DSS 系统，DSS 系统应用了无限传感模块、定位系统及立体空间数据采集系统。无线传感网络的应用对精准农业的推广起到了极大的推动作用。伴随着无线通信技术的发展，其在农业测控系统中应用的优势逐渐显现。而且像美国、以色列等国的智能化灌溉系统较为成熟，其发展经历了从人为控制到智能控制，期间包括机械控制、机电控制、专家系统等。目前各国普遍采用的是具有通信功能的分布式控制系统，可与上位机进行通信控制灌溉，控制方式主要使用的是模糊控制及神经网络控制。模糊控制主要是先将传输进来的信息模糊化，通过模糊控制和模糊判决输出到执行程序控制灌溉。这种控制技术自动化程度相对较高，自适应性强。伴随着 4G 技术、GIS 技术等发展使节水灌溉系统更加智能，可以跨区域甚至跨国之间的远程控制。以色列开发的滴灌系统可以通过计算机控制营养液的调配以及灌溉量同时具有实时监测营养液的 PH 值进而对营养液及肥料进行调整。其开发的另外一套控制器是通过传感器收集信息，使用无线传感网络实现数据的无线传输，最后计算机对传感器收集的信息进行处理并制定相应的灌溉计划。另外以色列 GAVISH 公司开发的 Greenline 系统十分先进，该系统能根据灌溉过程中的实际情况进行升级，其主要包括加热、灌溉施肥、气温控制系统三部分。
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2 农田灌溉系统关键装置研究的理论基础

2.1 农田灌溉系统基本概况
2.1.1 农田灌溉发展趋势
北方地区由于独特的气候条件及土壤条件，是我国粮食及部分水果和蔬菜的主产区，素有国家粮仓的美誉。伴随着近些年国家对三农的重视，一些先进的农业技术逐渐应用到农业实际生产中。由图 2.1 可知，由于北方地区独特的气候条件，普遍降水量较少，故需要充足农业灌溉来保证农产品产量。

通过实际调研内蒙古东部地区灌溉系统的实际现状，得知近年来农田灌溉技术发展迅速，截止 2017 年底仅通辽市节水灌溉面积就达到 902 万亩，节水灌溉面积占全市总耕地面积的 91%。伴随着近年来计算机技术以及无线传感技术的发展，灌溉系统自动化程度得到大幅度提高。
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2.2 实验区域土壤情况
2.2.1 实验地点
实验地点是内蒙古自治区通辽市科尔沁区河西镇三家子大棚区的果树种植基地。地理位置位于东经 122°12′21.91″，北纬 43°37′2.76″，试验田采用滴灌模式，株行距为 0.8m×1.5m。内蒙古通辽市的气候情况详见下表 2-1。

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3 基于人工神经网络算法和遗传算法的滴灌系统传感器位置研究........................21
3.1 射频（RF）土壤水分测量系统 ..........................21
3.2 使用人工神经网络算法估计水分分布 .......................22
4 基于免疫克隆优化阴性选择算法的电机故障检测........................... 35
4.1 电机的主要类型 ........................ 35
4.2 异步电机的结构及其原理 ................. 35
5 结论与展望.......................... 49
5.1 主要研究结论 .................... 49
5.2 研究展望 .................. 49

4 基于免疫克隆优化阴性选择算法的电机故障检测

4.1 电机的主要类型
电机的类型可按如下几种方式划分：1、按电源类型划分；2、按工作原理划分；3、按具体用途划分；4、按启动方式划分；5、按转子结构划分。
按电源类型可划分为交直流两种电机，其中直流可分为无刷、永磁有刷、电磁有刷等直流电机，电磁电机包含他励、复励、并励和串励，永磁有刷包含铝镍钴、稀土等类型。而目前较为常用的交流电机主要为单相和三相电机。
按工作原理可划分为异步、同步以及直流电机三个大类，异步电机具体包括感应电机和交流换向器电机，其中交流换向器电机类型较为多样，主要包括单相串励、交、直流两用等类型。同步电机包括永磁型、磁阻型和磁滞型同步电机。
按用途可分为驱动型和控制型两大类，驱动型电机分为电动用电机、家电用电机以及机械设备电机等，其中电动用途电机具体用途包括工程用途的凿孔、扩拆、打磨、抛光等；家用具体用途电机包括刮胡刀，吹风机，吸油烟机等，机械设备电机具体用途包括医疗、工业等用途；控制型电机则包括步进式和伺服两种。
按启动方式可分为分相启动式、电容启异步电机动式、电容运转式等。
按转子结构可划分为鼠笼式、绕线式，鼠笼式顾名思义其绕组形似笼子而且其又可细分为单、双鼠笼等类型。
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5 结论与展望

5.1 主要研究结论
农业灌溉相关问题的研究对未来我国农业发展意义重大，随着灌溉土地面积的增加，传感器的应用越来越广泛，传感器的位置优化可以在保证灌溉土地均匀度的同时最大限度的节约水资源及灌溉成本。而灌溉过程中电机轴承的故障较为常见，本文针对灌溉过程中传感器位置优化和灌溉电机轴承的故障诊断进行了研究。具体工作如下：
1、通过人工神经网络算法（ANN）估计土壤水分，并获得 6m×6m区域的土壤水分分布图；使用遗传算法（GA）对该区域中的湿度传感器的位置进行优化重置，确定了五个传感器埋设的最佳位置，实验结果表明在保持土壤湿度在所需范围内的情况下，每天耗水量减少 32%；
2、由于传统的阴性选择算法在电机故障检测中存在大量无法检测到的黑洞，提出应用免疫克隆算法对阴性选择算法的自体集进行优化，将电机轴承的单一内滚道故障检测率从 75%提高到 90%，内、外滚道的双重故障检测率别从 75.0%和 85.0％提高到 89.7%和89.1％，内、外滚道和滚珠的三重故障检测率从 75%、85%、91.2%分别提高到 86.4%、87.6%、94.4％，减少了算法的误判和漏判，提高了其故障检测率。
参考文献（略）